Verwenden von MOSFET-Körperdioden zum Laden der Batterie in Wechselrichtern

In diesem Beitrag versuchen wir zu verstehen, wie die internen Body-Dioden von MOSFETs genutzt werden können, um das Laden der Batterie über denselben Transformator zu ermöglichen, der auch als Wechselrichtertransformator verwendet wird.

In diesem Artikel untersuchen wir ein Vollbrücken-Wechselrichterkonzept und erfahren, wie die eingebauten Dioden der 4 MOSFETs zum Laden einer angeschlossenen Batterie verwendet werden können.

Was ist ein Vollbrücken- oder H-Brücken-Wechselrichter?

In einigen meiner früheren Beiträge haben wir diskutiert Vollbrücken-Wechselrichterschaltungen und in Bezug auf ihr Arbeitsprinzip.

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, haben wir in einem Vollbrückenwechselrichter einen Satz von 4 MOSFETs, die an die Ausgangslast angeschlossen sind. Die diagonal geschalteten MOSFET-Paare werden abwechselnd über eine externe geschaltet Oszillator Dadurch wird der von der Batterie eingegebene Gleichstrom in einen Wechselstrom oder Wechselstrom für die Last umgewandelt.

Die Last liegt normalerweise in Form von a vor Transformator , dessen Niederspannungsprimär mit der MOSFET-Brücke für die beabsichtigte DC / AC-Inversion verbunden ist.

Typischerweise ist die 4 N-Kanal-MOSFET Die basierte H-Brückentopologie wird in Vollbrückenwechselrichtern angewendet, da diese Topologie hinsichtlich des Verhältnisses von Kompaktheit zu Ausgangsleistung das effizienteste Arbeiten bietet.

Obwohl die Verwendung von 4 N-Kanal-Wechselrichtern von spezialisierten abhängig ist Treiber-ICs mit Bootstrapping Die Effizienz überwiegt jedoch die Komplexität, weshalb diese Typen in allen modernen Bereichen häufig eingesetzt werden Vollbrückenwechselrichter .

Zweck der internen MOSFET-Körperdioden

Die in fast allen modernen MOSFETs vorhandenen internen Körperdioden werden hauptsächlich eingeführt Schützen Sie das Gerät von umgekehrten EMF-Spitzen, die von einem verbundenen erzeugt werden induktive Last wie Transformator, Motor, Magnet usw.

Wenn eine induktive Last über den MOSFET-Drain eingeschaltet wird, wird elektrische Energie sofort in der Last gespeichert und im nächsten Moment als MOSFET schaltet sich aus Diese gespeicherte EMF wird in der umgekehrten Polarität von der MOSFET-Source zur Drain zurückgeworfen, was zu einer dauerhaften Beschädigung des MOSFET führt.

Das Vorhandensein einer internen Body-Diode über dem Drain / der Source des Geräts verhindert die Gefahr, indem diese Gegen-EMK-Spitze einen direkten Weg durch die Diode zulässt und so den MOSFET vor einem möglichen Durchfall schützt.

Verwenden von MOSFET-Körperdioden zum Laden der Wechselrichterbatterie

Wir wissen, dass ein Wechselrichter ohne Batterie unvollständig ist und eine Wechselrichterbatterie zwangsläufig häufig aufgeladen werden muss, um die Wechselrichterleistung aufzufüllen und im Standby-Zustand zu halten.

Zum Laden einer Batterie ist jedoch ein Transformator erforderlich, der eine hohe Leistung aufweisen muss, um eine optimale Leistung zu gewährleisten Strom für die Batterie .

Die Verwendung eines zusätzlichen Transformators in Verbindung mit dem Wechselrichtertransformator kann ebenfalls sehr sperrig und kostspielig sein. Daher finden Sie eine Technik, in der die Der gleiche Wechselrichtertransformator wird zum Laden verwendet Der Akku klingt äußerst vorteilhaft.

Das Vorhandensein der internen Body-Dioden in MOSFETs ermöglicht es glücklicherweise, den Transformator im Wechselrichtermodus und auch im Batterielademodus durch einige einfache zu schalten Relaisumschaltungen Sequenzen.

Grundlegendes Arbeitskonzept

In der folgenden Abbildung sehen wir, dass jeder MOSFET von einer internen Body-Diode begleitet wird, die über ihre Drain / Source-Pins angeschlossen ist.

Die Anode der Diode ist mit dem Source-Pin verbunden, während der Kathoden-Pin dem Drain-Pin der Vorrichtung zugeordnet ist. Wir können auch sehen, dass, da die MOSFETs in einem überbrückten Netzwerk konfiguriert sind, die Dioden auch in einem Basisnetzwerk konfiguriert werden Vollbrückengleichrichter Netzwerkformat.

Es werden einige Relais verwendet, die einige implementieren schnelle Umstellung damit der Netzwechselstrom die Batterie über die MOSFET-Körperdioden aufladen kann.

Dies Brückengleichrichter Die Netzwerkbildung der internen MOSFET-Dioden macht die Verwendung eines einzelnen Transformators als Wechselrichtertransformator und Ladetransformator sehr einfach.

Stromflussrichtung durch MOSFET-Körperdioden

Das folgende Bild zeigt die Richtung des Stromflusses durch die Körperdioden zum Gleichrichten des Transformators AC auf eine DC-Ladespannung

Bei einer Wechselstromversorgung ändern die Transformatordrähte abwechselnd ihre Polarität. Wie im linken Bild gezeigt, zeigen die orangefarbenen Pfeile unter der Annahme von START als positivem Draht das Stromflussmuster über D1, Batterie, D3 und zurück zum FINISH oder dem negativen Draht des Transformators an.

Für den nächsten Wechselstromzyklus kehrt sich die Polarität um und der Strom bewegt sich wie durch die blauen Pfeile angezeigt über die Körperdiode D4, die Batterie D2 und zurück zum FINISH oder zum negativen Ende der Transformatorwicklung. Dies wiederholt sich abwechselnd, wandelt beide Wechselstromzyklen in Gleichstrom um und lädt den Akku auf.

Da jedoch auch MOSFETs in das System eingebunden sind, muss äußerst vorsichtig vorgegangen werden, um sicherzustellen, dass diese Geräte dabei nicht beschädigt werden, und dies erfordert einen perfekten Wechselrichter- / Ladegerät-Umschaltvorgang.

Praktisches Design

Das folgende Diagramm zeigt einen praktischen Aufbau zur Implementierung von MOSFET-Körperdioden als Gleichrichter für Laden einer Wechselrichterbatterie mit Relaisumschaltern.

Um eine 100% ige Sicherheit der MOSFETs im Lademodus und bei Verwendung der Body-Dioden mit dem Transformator AC zu gewährleisten, müssen die MOSFET-Gatter auf Erdpotential gehalten und vollständig vom Versorgungs-DC abgeschaltet werden.

Dazu implementieren wir zwei Dinge, verbinden 1 k Widerstände über die Gate / Source-Pins aller MOSFETs und schalten ein Abschaltrelais in Reihe mit der Vcc-Versorgungsleitung des Treiber-IC.

Das Abschaltrelais ist ein SPDT-Relaiskontakt, dessen N / C-Kontakte in Reihe mit dem Treiber-IC-Versorgungseingang geschaltet sind. Wenn kein Wechselstromnetz vorhanden ist, bleiben die N / C-Kontakte aktiv, sodass die Batterieversorgung den Treiber-IC zum Versorgen der MOSFETs erreichen kann.

Wenn Netzstrom verfügbar ist, ist dies Relais wechselt zu den N / O-Kontakten, die den IC Vcc von der Stromquelle abschneiden, wodurch eine vollständige Abschaltung für die MOSFETs vom positiven Antrieb sichergestellt wird.

Wir können einen anderen Satz von sehen Relaiskontakte mit dem Transformator 220 V netzseitig verbunden. Diese Wicklung bildet die 220-V-Ausgangsseite des Wechselrichters. Die Wicklungsenden sind mit den Polen eines DPDT-Relais verbunden, dessen N / O- und N / C-Kontakte mit dem Netznetzeingang AC bzw. der Last konfiguriert sind.

Wenn kein Netznetz vorhanden ist, arbeitet das System im Wechselrichtermodus, und die Ausgangsleistung wird über die N / C-Kontakte des DPDT an die Last geliefert.

Bei Vorhandensein eines Wechselstromnetzeingangs wird das Relais für N / O-Kontakte aktiviert, sodass der Netzwechselstrom die 220-V-Seite des Transformators versorgen kann. Dies wiederum aktiviert die Wechselrichterseite des Transformators und der Strom kann durch die Körperdioden der MOSFETs fließen, um die angeschlossene Batterie aufzuladen.

Bevor das DPDT-Relais aktiviert werden kann, soll das SPDT-Relais die Vcc des Treiber-IC von der Versorgung abschalten. Diese geringfügige Verzögerung bei der Aktivierung zwischen dem SPDT-Relais und dem DPDT-Relais muss gewährleistet sein, um eine 100% ige Sicherheit für die MOSFETs und den Schallbetrieb des zu gewährleisten Wechselrichter / Lademodus über die Körperdioden.

Relaisumschaltvorgänge

Wie oben vorgeschlagen, sollte der SPDT-Relaiskontakt auf der Vcc-Seite einige Millisekunden vor dem DPDT-Relais auf der Transformatorseite aktiviert werden, wenn eine Netzversorgung verfügbar ist. Wenn jedoch der Netzeingang ausfällt, müssen beide Relais fast gleichzeitig ausgeschaltet werden. Diese Bedingungen könnten unter Verwendung der folgenden Schaltung implementiert werden.

Hier wird die betriebsbereite Gleichstromversorgung für die Relaisspule von einem Standard erfasst AC / DC-Adapter , an das Netz angeschlossen.

Das heißt, wenn Netz-Wechselstrom verfügbar ist, schaltet der AC / DC-Adapter die Relais ein. Das SPDT-Relais, das direkt an die Gleichstromversorgung angeschlossen ist, wird schnell aktiviert, bevor das DPDT-Relais dies kann. Das DPDT-Relais wird einige Millisekunden später aufgrund des 10-Ohm- und des 470-uF-Kondensators aktiviert. Dies stellt sicher, dass der MOSFET-Treiber-IC deaktiviert ist, bevor der Transformator auf seiner 220-V-Seite auf den Netz-Wechselstromeingang reagieren kann.

Wenn die Netzstromversorgung ausfällt, schalten beide Relais fast gleichzeitig aus, da der 470uF-Kondensator aufgrund der in Reihe vorgespannten Diode keine Auswirkung auf den DPDT hat.

Dies schließt unsere Erklärung bezüglich der Verwendung von MOSFET-Körperdioden zum Laden einer Wechselrichterbatterie über einen einzelnen gemeinsamen Transformator ab. Hoffentlich ermöglicht die Idee den vielen Hobbyisten, billige, kompakte automatische Wechselrichter mit eingebauten Batterieladegeräten unter Verwendung eines einzigen gemeinsamen Transformators zu bauen.